Was ist ein Fototransistoren?
Ein Fototransistor ist ein Halbleiterbauelement zur Erfassung von Licht.
Seine Struktur ist eine Kombination aus einer Fotodiode und einem Transistor. Je nach Gehäuse sind sie in verschiedenen Formen erhältlich, so dass je nach Anwendung die richtige Wahl getroffen werden muss.
Verwendungszwecke von Fototransistoren
Fototransistoren werden häufig als lichtempfindliche Sensoren eingesetzt. Insbesondere haben sie eine Spitzenempfindlichkeit um 800 nm und werden daher häufig für den Empfang von Infrarotlicht verwendet.
Konkrete Beispiele für die Verwendung von Fototransistoren sind “Lichtintensitätsmessung”, “Infrarot-Fernbedienungsempfänger”, “fotoelektrische Sensorempfänger” und “optische Kommunikation”. Insbesondere werden sie häufig in Kombination mit Infrarot-LEDs in Fernbedienungen für Fernseher und Klimaanlagen eingesetzt.
Eine Anwendung für die optische Kommunikation ist der von Internetanbietern angebotene optische Kommunikationsdienst Giganet. Für den Lichtempfang dieser Kommunikation werden Fototransistoren mit hoher Geschwindigkeit verwendet, die sich ideal für die Kommunikation eignen.
Fototransistoren werden manchmal auch als Sensoren in automatischen Türen verwendet. Darüber hinaus werden sie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. als lichtgesteuerte Schalter, da sie einen Strom erzeugen, wenn Licht erkannt wird.
Aufbau eines Fototransistors
Fototransistoren sind Halbleiterbauelemente mit einer NPN-Struktur. Dank dieser NPN-Struktur haben Fototransistoren ein größeres Ausgangssignal als Fotodioden. (Siehe Abbildung 2, linkes Diagramm)
Durch die NPN-Struktur des Fototransistors wird das Ausgangssignal der Fotodiode durch einen Transistor verstärkt. Wenn Licht einfällt, das der Energielücke des Halbleiters entspricht, werden Elektronen im Valenzband in das Leitungsband angeregt.
Dies führt zu einer Wanderung in die N-Schicht, während Löcher in die P-Schicht wandern. Dieser Transfer von der N- zur P-Schicht verursacht eine Vorwärtsspannung am Übergang, die zu einem Stromfluss führt. (Siehe Abbildung 2, rechte Seite).
Die in Fototransistoren verwendeten Transistoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie keine Basiselektrode besitzen. Der durch den Lichtempfang erzeugte Photostrom wird jedoch zum Basisstrom, der am Kollektor verstärkt wird.
Merkmale von Fototransistoren
Die Verstärkung des Basisstroms ist hFE (Transistorverstärkungsfaktor) mal so hoch wie bei anderen Transistoren. Eine Besonderheit von Fototransistoren ist jedoch, dass selbst bei ähnlichem hFE mal hFE relativ große hFE’s verwendet werden.
Dadurch kann das Signal an der winzigen Fotodiode als großer Kollektorstrom entnommen werden, aber es ist zu beachten, dass am Kollektor-Basis-Übergang ständig Strom entweicht und dieser Leckstrom ebenfalls verstärkt wird.
Mit anderen Worten, ein Fototransistor hat auch in völlig dunkler Umgebung einen schwachen Stromfluss. Dieser schwache Strom, der auch in einer dunklen Umgebung fließt, wird als Dunkelstrom bezeichnet. Der von einem Fototransistor erzeugte Dunkelstrom ist das interne Rauschen eines Lichtsensors. Es ist jedoch möglich, dieses interne Rauschen zu unterdrücken.
Der Dunkelstrom hat die Eigenschaft, bei hoher Temperatur anzusteigen und umgekehrt bei niedriger Temperatur abzunehmen. Diese Eigenschaft kann daher genutzt werden, um das Gerät zu kühlen und das interne Rauschen zu unterdrücken.
Weitere Informationen über Fototransistorenn
1. Fotodioden und -transistoren
Wie in Abb. 3, linkes Diagramm, dargestellt, verschiebt sich die IV-Kennlinie einer Fotodiode entsprechend der Lichtintensität nach unten (blaue Linie wird zur grünen Linie), wenn sie beleuchtet wird. Diese Änderung der IV-Kennlinie ist ein Maß für die Lichtintensität. Da der Ausgangsstrom jedoch in der Größenordnung von uA liegt, würde der Ausgang in seiner jetzigen Form die Schaltung in den nachfolgenden Stufen verkomplizieren.
Durch die Kombination eines Fototransistors mit einer Fotodiode und einem Transistor kann der Fotostrom, der beim Empfang von Licht durch die Fotodiode erzeugt wird, um den Faktor hFE mal dem Gleichstromverstärkungsfaktor des Transistors verstärkt werden. Der Fototransistor ist daher empfindlicher als die Fotodiode, und der Ausgangsstrom des Fototransistors liegt in der Größenordnung von mA, was die Schaltung in den nachfolgenden Stufen vereinfacht. (Siehe Abbildung 3, rechte Seite).
Die Empfindlichkeit des Fototransistors ist mehrere hundert Mal höher als die der Fotodiode, und wenn eine noch höhere Empfindlichkeit erforderlich ist, kann durch die Verwendung eines Fototransistors in Darlington-Schaltung eine mehrere hundert Mal höhere Empfindlichkeit erzielt werden. Damit lassen sich Helligkeiten von mehreren Lux erkennen.
2. Unterschied zwischen CDS und Fototransistor
Ein CDS ist ein Fotowiderstand, auch CDS-Zelle oder fotoleitende Zelle genannt; der Widerstand eines CDS nimmt umgekehrt proportional zur Beleuchtungsstärke ab, die er empfängt. Mit anderen Worten: Der Widerstand ist höher, wenn die Beleuchtungsstärke dunkel ist, und niedriger, wenn die Beleuchtungsstärke hell ist.
Die Vorteile von CDS liegen darin, dass die winzige Empfindlichkeitscharakteristik der des menschlichen Sehvermögens nahe kommt, der Aufbau einfach ist, die Empfindlichkeit hoch und der Preis niedrig ist.
Beispiele hierfür sind “Beleuchtungsstärkemesser”, “Belichtungsmesser für Kameras” und “Helligkeitsdetektoren für automatische Blinklichter”. Allerdings ist Cadmiumsulfid, das Hauptmaterial, das als Element in CDS verwendet wird, ein umweltschädlicher Stoff. Aus diesem Grund wurden CDS in den letzten Jahren immer weniger eingesetzt.
Fototransistoren hingegen liefern einen zur Beleuchtungsstärke proportionalen Ausgangsstrom. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Empfindlichkeit, die sich aus der Struktur der Kombination von Fotodiode und Transistor ergibt.